DE102011089700A1

DE102011089700A1 - Battery e.g. lithium ion battery for e.g. notebook computer, has pneumatically actuated electrical switches that are operated to alter circuitry state when pressure within housing is above threshold value, and trigger safety mechanism

Info

Publication number: DE102011089700A1
Application number: DE102011089700A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Herr; Dr. Holl Konrad; Ralf Keppeler; Dr. Pompetzki Markus
Original assignee: Volkswagen Varta Microbattery Forschungs GmbH and Co KG
Current assignee: VW VM Forschungs GmbH and Co KG
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-06-27

Abstract

The battery (100) has a single cell whose positive and negative electrodes are arranged in the housing (101). The positive electrode is connected with a positive pole (103), and the negative electrode is connected with a negative pole (102). The pneumatically actuated electrical switches are operated to alter the circuitry state when the pressure within the housing is above the threshold value, and trigger the safety mechanism. An independent claim is included for a method for operating battery.

Description

Die beschriebene Erfindung betrifft eine Batterie mit einem Gehäuse, mindestens einer Einzelzelle mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode, die in dem Gehäuse angeordnet ist, einem positiven Abgriffspol, der mit der mindestens einen positiven Elektrode verbunden ist, und einem negativen Abgriffspol, der mit der mindestens einen negativen Elektrode verbunden ist, sowie ein Verfahren zum sicheren Betreiben einer solchen Batterie. The described invention relates to a battery having a housing, at least one single cell having at least one positive and at least one negative electrode disposed in the housing, a positive tap-off terminal connected to the at least one positive electrode, and a negative tap-off terminal is connected to the at least one negative electrode, and a method for safe operation of such a battery.

Der Begriff „Batterie“ meinte ursprünglich mehrere in Serie geschaltete galvanische Zellen. Heute werden jedoch auch einzelne galvanische Zellen (Einzelzellen) häufig als Batterie bezeichnet. Bei der Entladung einer galvanischen Zelle findet eine energieliefernde chemische Reaktion statt, welche sich aus zwei elektrisch miteinander gekoppelten aber räumlich voneinander getrennten Teilreaktionen zusammensetzt. An der negativen Elektrode werden in einem Oxidationsprozess Elektronen freigesetzt, resultierend in einem Elektronenstrom über einen äußeren Verbraucher zur positiven Elektrode, von der eine entsprechende Menge an Elektronen aufgenommen wird. An der positiven Elektrode findet also ein Reduktionsprozess statt. Zeitgleich kommt es zu einem der Elektrodenreaktion entsprechenden Ionenstrom innerhalb der Zelle. Dieser Ionenstrom wird durch einen ionenleitenden Elektrolyten gewährleistet. In sekundären Zellen und Batterien ist diese Entladereaktion reversibel, es besteht also die Möglichkeit, die bei der Entladung erfolgte Umwandlung chemischer Energie in elektrische umzukehren. The term "battery" originally meant several galvanic cells connected in series. Today, however, individual galvanic cells (single cells) are often referred to as a battery. During the discharge of a galvanic cell, an energy-supplying chemical reaction takes place, which consists of two electrically coupled but spatially separated partial reactions. At the negative electrode, electrons are released in an oxidation process, resulting in an electron flow via an external load to the positive electrode, from which a corresponding amount of electrons is absorbed. So at the positive electrode, a reduction process takes place. At the same time, an ion current corresponding to the electrode reaction occurs within the cell. This ion current is ensured by an ion-conducting electrolyte. In secondary cells and batteries, this discharging reaction is reversible, so there is the possibility of reversing the conversion of chemical energy into electrical discharge.

Unter den bekannten sekundären Zellen werden vergleichsweise hohe Energiedichten insbesondere von Lithium-Ionen-Zellen erreicht, also von Zellen, bei denen bei Lade- und Entladeprozessen Lithium-Ionen von einer Elektrode zur anderen wandern. Derartige Zellen eignen sich besonders für den Einsatz in portablen Geräten wie Notebooks und Mobiltelefonen. Insbesondere sind sie aber auch als Energiequelle für Kraftfahrzeuge interessant. Among the known secondary cells, comparatively high energy densities, in particular of lithium-ion cells, are achieved, that is to say of cells in which lithium ions migrate from one electrode to the other during charging and discharging processes. Such cells are particularly suitable for use in portable devices such as notebooks and mobile phones. In particular, they are also interesting as an energy source for motor vehicles.

In aller Regel weisen die Zellen von Lithium-Ionen-Batterien brennbare Bestandteile auf, so umfasst beispielsweise der Elektrolyt einer Lithium-Ionen-Zelle häufig als Hauptkomponente ein organisches Lösungsmittel wie z.B. Ethylencarbonat. In Verbindung mit der hohen Energiedichte solcher Zellen stellt dies ein nicht zu unterschätzendes Gefahrenpotenzial dar. Entsprechend müssen besondere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden, um Risiken für Verbraucher ausschließen zu können oder zumindest möglichst gering zu halten.As a rule, the cells of lithium-ion batteries have combustible components, for example, the electrolyte of a lithium-ion cell often comprises, as the main component, an organic solvent such as e.g. Ethylene carbonate. In conjunction with the high energy density of such cells, this represents a risk potential that should not be underestimated. Accordingly, special safety precautions must be taken in order to be able to exclude risks for consumers or at least to minimize them.

Lithium-Ionen-Zellen können insbesondere bei einer mechanischen Beschädigung oder durch Überladung in einen kritischen Zustand geraten, in dem u.U. Brandgefahr besteht. Die Überladung einer Lithium-Ionen-Zelle kann zur Abscheidung von metallischem Lithium auf der Oberfläche der negativen Elektrode führen sowie zu einer Zersetzung des in der Zelle enthaltenen Elektrolyten. Letzteres führt gegebenenfalls zu einer starken Aufgasung der Zelle. In Extremfällen kömmt es dabei zu einer Schädigung eines die Zelle umgebenden Gehäuses. In der Folge können Feuchtigkeit und Sauerstoff in die Zelle eindringen, was in einer explosionsartigen Verbrennung resultieren kann. Lithium-ion cells, especially in the case of mechanical damage or overcharging, can become in a critical state, in which u.U. Fire hazard exists. The overcharge of a lithium-ion cell can lead to the deposition of metallic lithium on the surface of the negative electrode and to a decomposition of the electrolyte contained in the cell. The latter possibly leads to a strong gasification of the cell. In extreme cases, this causes damage to a housing surrounding the cell. As a result, moisture and oxygen can enter the cell, which can result in explosive combustion.

Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, Lithium-Ionen-Zellen mit Sicherungsmitteln zu versehen. Eine geeignete Schaltungsanordnung zur elektronischen Überwachung der Betriebssicherheit von wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Zellen ist beispielsweise aus der DE 101 04 981 A1 bekannt. Die Verwendung von Schmelzsicherungen zur Erhöhung der Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien ist aus der DE 10 2008 020 912 A1 bekannt. Und aus der DE 10 2007 020 905 A1 sind Zellen bekannt, die einen Ableiter aufweisen, der auf einer dünnen Kunststofffolie angeordnet ist und der eine Solltrennstelle aufweist. Verformt sich die Folie, beispielsweise in Folge einer Zellgasung, so wird der Ableiter an der Solltrennstelle zerstört, wordurch die Zelle irreversibel und dauerhaft deaktiviert ist. To avoid this, it is known to provide lithium-ion cells with securing means. A suitable circuit arrangement for electronic monitoring of the reliability of rechargeable lithium-ion cells is for example from DE 101 04 981 A1 known. The use of fuses to increase the safety of lithium-ion batteries is from the DE 10 2008 020 912 A1 known. And from the DE 10 2007 020 905 A1 Cells are known which have an arrester, which is arranged on a thin plastic film and having a predetermined separation point. If the film deforms, for example as a result of cell gassing, the arrester is destroyed at the predetermined separation point, as a result of which the cell is irreversibly and permanently deactivated.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Batterien, insbesondere Lithium-Ionen-Batterien, bereitzustellen, in denen eine zuverlässige und einfache Sicherheitslösung realisiert ist, die obigen Problemen Rechnung trägt.The present invention has for its object to provide batteries, in particular lithium-ion batteries, in which a reliable and simple security solution is realized, which takes into account the above problems.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Batterie mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Auch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Batterie sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im abhängigen Anspruch 9 definiert. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht. This object is achieved by the battery having the features of claim 1. The method having the features of claim 8 is also an object of the present invention. Preferred embodiments of the battery according to the invention are given in the dependent claims 2 to 7. A preferred embodiment of the method according to the invention is defined in the dependent claim 9. The wording of all claims is hereby incorporated by reference into the content of the present description.

Die erfindungsgemäße Batterie umfasst mindestens eine Einzelzelle mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode. Bei der Einzelzelle handelt es sich bevorzugt um eine Zelle auf Lithium-Ionen-Basis. Entsprechend ist die erfindungsgemäße Batterie bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batterie. Anwendungsfelder für die erfindungsgemäße Batterie finden sich insbesondere im Bereich Kraftfahrzeuge. Die erfindungsgemäße Batterie ist entsprechend bevorzugt eine KFZ-Batterie. The battery according to the invention comprises at least one single cell with at least one positive and at least one negative electrode. The single cell is preferably a lithium ion-based cell. Accordingly, the battery according to the invention is preferably a lithium-ion battery. Application fields for the battery according to the invention can be found in particular in the field of motor vehicles. The battery according to the invention is accordingly preferably a motor vehicle battery.

Die Einzelzelle liegt bevorzugt in Form eines Verbundes aus Elektrodenund Separatorfolien mit der Sequenz positive Elektrode/Separator/negative Elektrode vor. Bevorzugt umfassen die Elektroden dabei metallische Stromkollektoren, die meist in Form von Flächengebilden vorliegen. Bei Lithium-Ionen-Batterien findet sich etwa auf der Seite der positiven Elektrode bevorzugt ein Netz oder eine Folie aus Aluminium, beispielsweise aus Aluminiumstreckmetall oder aus einer gelochten Aluminiumfolie. Auf der Seite der negativen Elektrode werden als Stromkollektoren meist Netze oder Folien aus Kupfer verwendet. Grundsätzlich kann die Batterie sowohl einen Zellenstapel (stack) aus mehreren flachen Einzelzellen enthalten als auch eine gewickelte Einzelzelle (coil). The single cell is preferably in the form of a composite of electrode and separator foils with the sequence positive electrode / separator / negative electrode. In this case, the electrodes preferably include metallic current collectors, which are usually in the form of flat structures. In the case of lithium-ion batteries, on the side of the positive electrode, for example, there is preferably a mesh or a foil of aluminum, for example of expanded aluminum metal or of a perforated aluminum foil. On the side of the negative electrode, usually networks or foils of copper are used as current collectors. In principle, the battery can contain both a stack of several flat individual cells and a wound single cell (coil).

Die mindestens eine Einzelzelle ist bei der erfindungsgemäßen Batterie in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse schirmt die mindestens eine Einzelzelle von ihrer Umgebung ab und ist bevorzugt gas- und flüssigkeitsdicht. Bevorzugt handelt es sich bei dem Gehäuse um ein festes Gehäuse, insbesondere aus Metall, beispielsweise aus einem Aluminiumblech. The at least one individual cell is arranged in the battery according to the invention in a housing. The housing shields the at least one individual cell from its surroundings and is preferably gas-tight and liquid-tight. The housing is preferably a solid housing, in particular of metal, for example of an aluminum sheet.

Die erfindungsgemäße Batterie weist einen positiven Abgriffspol auf, der mit der mindestens einen positiven Elektrode verbunden ist und einen negativen Abgriffspol, der mit der mindestens einen negativen Elektrode verbunden ist. Die Abgriffspole dienen dem Anschluß eines elektrischen Verbrauchers, an ihnen wird also in der Batterie gespeicherte elektrische Energie „abgegriffen“.The battery according to the invention has a positive tap which is connected to the at least one positive electrode and a negative tap which is connected to the at least one negative electrode. The Abgriffspole serve to connect an electrical load, so they are "tapped" stored in the battery electrical energy.

Besonders zeichnet sich die erfindungsgemäße Batterie dadurch aus, dass sie mindestens einen pneumatisch betätigbaren elektrischen Schalter umfasst, der bei einem Druckanstieg innerhalb des Gehäuses über einen Schwellenwert hinaus seinen Schaltungszustand ändert und dabei einen Sicherungsmechanismus auslöst, der einen weiteren Druckanstieg unterbindet. In particular, the battery according to the invention is characterized in that it comprises at least one pneumatically actuable electrical switch, which changes its circuit state at a pressure rise within the housing beyond a threshold and thereby triggers a safety mechanism that prevents a further pressure increase.

Der mindestens eine Schalter umfasst dabei bevorzugt zwei elektrische Kontakte, die bei einem Druck unterhalb des Schwellenwerts räumlich voneinander getrennt sind. Weiterhin umfasst der Schalter bevorzugt eine gasundurchlässige Membran, die eine Grenzschicht zwischen dem Innenraum des Gehäuses und der Gehäuseumgebung bildet. Die Membran sollte dabei idealerweise durch den Druck elastisch verformbar sein. Als Membran geeignet ist beispielsweise eine Kunststoff- oder eine Metallfolie. Bei einem Druckanstieg innerhalb des Gehäuses wölbt sich eine solche Membran nach außen. Erfindungsgemäß sind die Membran und die elektrischen Kontakte dabei derart angeordnet, dass die beiden elektrischen Kontakte miteinander verbunden werden, wenn der Druck den Schwellenwert überschreitet. Bedingt durch den Druckanstieg ändert der Schalter also seinen Schaltungszustand. In der beschriebenen Ausführungsform wird er in Folge der durch den Druck erzeugten Wölbung nach außen geschlossen. The at least one switch preferably comprises two electrical contacts, which are spatially separated from one another at a pressure below the threshold value. Furthermore, the switch preferably comprises a gas-impermeable membrane, which forms a boundary layer between the interior of the housing and the housing environment. The membrane should ideally be elastically deformable by the pressure. Suitable as a membrane, for example, a plastic or a metal foil. With a pressure increase inside the housing, such a membrane bulges outwards. According to the invention, the membrane and the electrical contacts are arranged in such a way that the two electrical contacts are connected to one another when the pressure exceeds the threshold value. Due to the pressure increase, the switch thus changes its circuit state. In the described embodiment, it is closed outwards as a result of the curvature produced by the pressure.

Bei der vorliegenden Erfindung macht man sich also die bei einer Überladung auftretende Gasung einer Zelle zunutze. Die entstehenden Gase dienen im Rahmen des Zellsicherungsmechanismus als „Arbeitsmedium“ und können auf die Membran Druck ausüben, so dass sich diese nach außen wölbt. Die Wölbung führt dann wiederum auf mechanischem Weg ein Schließen des Schalters herbei. Streng genommen handelt es sich bei dem Schalter also um einen „pneumo-elektromechanischen Schalter“.In the present invention, therefore, one makes use of the gassing of a cell which occurs during overcharging. The resulting gases serve as a "working medium" within the framework of the cell securing mechanism and can exert pressure on the membrane so that it bulges outward. The curvature then leads in turn mechanically closing the switch. Strictly speaking, the switch is therefore a "pneumo-electro-mechanical switch".

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist zwischen dem positiven und dem negativen Abgriffspol ein Spannungsmesser vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ zu dem Spannungsmesser kann zwischen die Abgriffspole auch ein Lastwiderstand geschaltet sein. In preferred embodiments of the invention, a voltmeter is provided between the positive and negative tapers. In addition or as an alternative to the voltmeter, a load resistor can also be connected between the tapping poles.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen verbindet der mindestens eine Schalter beim Schließen den positiven Abgriffspol elektrisch mit dem negativen Abgriffspol. In particularly preferred embodiments, the at least one switch electrically connects the positive tapping pole to the negative tapping pole when closing.

Wenn der Lastwiderstand zwischen die Abgriffspole geschaltet ist, kann über den Lastwiderstand eine Entladung der erfindungsgemäßen Batterie erfolgen, wenn der positive Abgriffspol durch das Schließen des mindestens einen Schalters mit dem negativen Abgriffspol elektrisch verbunden wird. Eine solche Entladung wirkt einer Spannungserhöhung innerhalb der Zelle entgegen und damit gegebenenfalls auch einem weiteren Druckanstieg innerhalb des Gehäuses. When the load resistor is connected between the tapped poles, a discharge of the battery according to the invention can take place via the load resistor if the positive tapping pole is electrically connected to the negative tapping pole by closing the at least one switch. Such a discharge counteracts a voltage increase within the cell and thus possibly also a further increase in pressure within the housing.

Wenn der Spannungsmesser zwischen die Abgriffspole geschaltet ist, kann dieser eine gegebenenfalls vorliegende Überspannung zwischen den Abgriffspolen detektieren. Die gemessene Spannung kann an ein Batteriemanagement-System übermittelt werden, über das Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können, beispielsweise eine gezielte Entladung der Zelle über einen separaten Stromkreis oder einen elektronische Abkopplung der Zelle. If the voltmeter is connected between the tapping poles, it can detect any overvoltage between the tapping poles. The measured voltage can be transmitted to a battery management system, via which countermeasures can be initiated, for example, a targeted discharge of the cell via a separate circuit or an electronic decoupling of the cell.

Ist hingegen weder ein Zwischenwiderstand noch ein Spannungsmesser zwischen den Abgriffspolen angeordnet, so führt das Schließen des Schalters einen Kurzschluss herbei. Auch dies kann gewollt sein, wie noch erläutert werden wird. If, on the other hand, neither an intermediate resistor nor a voltmeter is arranged between the tapping poles, the closing of the switch causes a short circuit. Again, this may be wanted, as will be explained.

In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei mindestens einem der Abgriffspole um einen Pol in Form eines metallischen Stabes oder Bolzens, der von außen durch das Gehäuse der erfindungsgemäßen Batterie hindurch ins Gehäuseinnere geführt sind. In der Regel ist er durch eine isolierfähige Masse vom Gehäuse elektrisch und mechanisch getrennt, wie das beispielsweise in der DE 100 47 206 A1 beschrieben ist. Sind beide Pole derart isoliert, so ist das Gehäuse potentialfrei.In a preferred embodiment, at least one of the Abgriffspole is a pole in the form of a metallic rod or bolt, which from the outside through the housing the battery of the invention are passed through the housing interior. As a rule, it is electrically and mechanically separated from the housing by an isolatable mass, as is the case, for example, in US Pat DE 100 47 206 A1 is described. If both poles are insulated in this way, the housing is potential-free.

Grundsätzlich ist es allerdings durchaus auch möglich, dass das Gehäuse selbst als positiver oder negativer Abgriffspol dient.In principle, however, it is quite possible that the housing itself serves as a positive or negative Abgriffspol.

Erfindungsgemäß kann es weiterhin bevorzugt sein, dass mindestens einer der Abgriffspole auf der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist und nicht unmittelbar, sondern über einen separaten Kontaktpol mit der mindestens einen positiven Elektrode oder der mindestens einen negativen Elektrode elektrisch verbunden ist. In dieser Ausführungsform ist der Kontaktpol bevorzugt als Stab oder Bolzen ausgebildet, der durch das Gehäuse der erfindungsgemäßen Batterie hindurch ins Gehäuseinnere geführt ist. Der mindestens eine Abgriffspol dient in dieser Ausführungsform zur elektrischen Kontaktierung der erfindungsgemäßen Batterie, während der Kontaktpol die elektrische Verbindung zu der oder den Elektroden gewährleistet. Bevorzugt ist auch der Kontaktpol vom Gehäuse elektrisch und mechanisch getrennt, wie es in der bereits erwähnten DE 100 47 206 A1 beschrieben ist. Der mindestens eine Abgriffspol ist in dieser Ausführungsform vom Gehäuse elektrisch isoliert, über einen entsprechenden Leiter aber mit dem Kontaktpol elektrisch verbunden.According to the invention, it may further be preferred for at least one of the tapping poles to be arranged on the outside of the housing and not to be electrically connected to the at least one positive electrode or the at least one negative electrode via a separate contact pole. In this embodiment, the contact pole is preferably formed as a rod or bolt, which is guided through the housing of the battery according to the invention into the housing interior. The at least one Abgriffspol used in this embodiment for electrical contacting of the battery according to the invention, while the contact pole ensures the electrical connection to the one or more electrodes. Preferably, the contact pole of the housing is electrically and mechanically separated, as in the already mentioned DE 100 47 206 A1 is described. The at least one Abgriffspol is electrically insulated from the housing in this embodiment, but electrically connected via a corresponding conductor with the contact pole.

Besonders bevorzugt weist die erfindungsgemäße Batterie mindestens eine Schmelzsicherung auf, die beim Schmelzen den Kontakt zwischen der mindestens einen positiven Elektrode und dem positiven Abgriffspol und/oder zwischen der mindestens einen negativen Elektrode und dem negativen Abgriffspol unterbricht. Dabei ist die Schmelzsicherung bevorzugt auf der Außenseite des Gehäuses angeordnet, insbesondere zwischen einem Kontaktpol und einem mit diesem elektrisch verbundenen Abgriffspol. Die Schmelzsicherung wird dabei bevorzugt so gewählt, dass sie im Normalbetrieb (also z.B. beim Laden der erfindungsgemäßen Batterie oder beim Entladen mit einer zwischen die Abgriffspole geschalteten Nutzlast) nicht auslöst, bei einem Kurzschluss zwischen den Abgriffspolen, wie er durch den erfindungsgemäß verwendeten pneumatisch betätigbaren Schalter gewollt herbeigeführt werden kann, hingegen schmilzt. Wird der Schalter bei einer Druckerhöhung innerhalb des Gehäuses geschlossen, so kann die Batterie mittels der Schmelzsicherung zuverlässig deaktiviert werden. Eine Reaktivierung könnte, falls gewünscht, durch einen Austausch der Schmelzsicherung erfolgen.Particularly preferably, the battery according to the invention has at least one fuse, which interrupts the contact between the at least one positive electrode and the positive Abgriffspol and / or between the at least one negative electrode and the negative Abgriffspol during melting. In this case, the fuse is preferably arranged on the outside of the housing, in particular between a contact pole and a Abgriffspol electrically connected to this. The fuse is preferably chosen so that it does not trip during normal operation (ie when charging the battery according to the invention or during unloading with a switched between the Abgriffspole payload), in a short circuit between the Abgriffspolen as he used by the present invention pneumatically actuated switch intentionally can be brought about, however, melts. If the switch is closed at an increase in pressure within the housing, the battery can be reliably deactivated by means of the fuse. A reactivation could, if desired, be done by replacing the fuse.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batterie weist diese mindestens einen hochohmigen Heizwiderstand auf, der thermisch mit der mindestens einen Schmelzsicherung gekoppelt ist, also Wärme auf diese übertragen kann, und der über den Schalter aktiviert wird, wenn ein Druckanstieg innerhalb des Gehäuses über den Schwellenwert hinaus vorliegt. Dazu kann der Heizwiderstand beispielsweise an Stelle des erwähnten Lastwiderstands zwischen die Abgriffspole geschaltet sein. Bevorzugt werden der Heizwiderstand und die Schmelzsicherung dabei derart aufeinander angestimmt, dass die Schmelzsicherung nur auslösen kann, wenn der Heizwiderstand aktiviert ist.In a preferred embodiment of the battery according to the invention this has at least one high-resistance heating resistor which is thermally coupled to the at least one fuse, so heat can be transferred to this, and which is activated via the switch, if an increase in pressure within the housing above the threshold also is present. For this purpose, the heating resistor may be connected, for example, instead of the mentioned load resistance between the Abgriffspole. Preference is given to the heating resistor and the fuse are mutually so that the fuse can only trigger when the heating resistor is activated.

Auch ein Verfahren zum sicheren Betreiben einer Batterie, welche mindestens eine Einzelzelle mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode aufweist sowie ein Gehäuse, in dem die mindestens eine Einzelzelle angeordnet ist, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.A method for safely operating a battery, which has at least one single cell with at least one positive and at least one negative electrode and a housing in which the at least one individual cell is arranged, is the subject of the present invention.

Bei dem Verfahren wird ein Druckanstieg innerhalb des Gehäuses mittels eines pneumatisch betätigbaren elektrischen Schalters erfasst, der seinen Schaltungszustand ändert, wenn der Druck einen Schwellenwert überschreitet. Dabei wird ein Sicherungsmechanismus ausgelöst, der einen weiteren Druckanstieg unterbindet.In the method, an increase in pressure within the housing is detected by means of a pneumatically actuable electrical switch that changes its circuit state when the pressure exceeds a threshold. In this case, a safety mechanism is triggered, which prevents a further pressure increase.

Wie der Schalter sowie die Batterie ausgestaltet sein können, wurde bereits beschrieben. Gleichermaßen wurden auch schon bevorzugte Varianten beschrieben, wie der Sicherungsmechanismus ausgelöst werden kann. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Variante am bevorzugtesten, gemäß der der Schalter den positiven Abgriffspol mit dem negativen Abgriffspol elektrisch verbindet, so dass ein elektrischer Kurzschluß zwischen den Polen herbeigeführt wird.How the switch and the battery can be configured has already been described. Likewise, already preferred variants have been described as the securing mechanism can be triggered. In the context of the method according to the invention, the variant is the most preferred, according to which the switch electrically connects the positive Abgriffspol with the negative Abgriffspol, so that an electrical short circuit between the poles is brought about.

Weitere Merkmale der Erfindung sowie aus der Erfindung resultierende Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen, anhand derer die Erfindung illustriert wird. Es sei an dieser Stelle betont, dass sämtliche in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen fakultativen Aspekte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einen für sich allein, zum Anderen aber auch in Kombination mit einem oder mehreren weiteren Merkmalen bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein kann. Die nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.Further features of the invention and advantages resulting from the invention will become apparent from the following description of the drawings, from which the invention is illustrated. It should be emphasized at this point that all optional aspects of the method according to the invention described in the present application can be realized on their own but also in combination with one or more further features in one embodiment of the invention. The preferred embodiments described below are merely illustrative and for a better understanding of the invention and are in no way limiting.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Batterie 100 schematisch dargestellt. Sie weist das Gehäuse 101 auf, in dem mindestens eine Einzelzelle mit mindestens einer positiven und mindestens einer negativen Elektrode angeordnet ist. Die Einzelzelle ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Wichtig ist lediglich, dass die mindestens eine negative Elektrode an den stiftförmig ausgestalteten negativen Pol 102 geschweißt ist. Die mindestens eine positive Elektrode ist elektrisch mit dem ebenfalls stiftförmigen positiven Pol 103 verbunden. Die beiden Pole 102 und 103 sind von außen durch das Gehäuse 101 ins Zellinnere geführt, vom Gehäuse 101 aber mittels der Isoliermassen 104 und 105 isoliert. Das Gehäuse 101 ist entsprechend potentialfrei. An die Pole 102 und 103 kann auf der Gehäuseaußenseite ein elektrischer Verbraucher angeschlossen werden, bei den Polen 102 und 103 handelt es sich im Sinne der vorliegenden Anmeldung um Abgriffspole.In 1 is a battery according to the invention 100 shown schematically. It shows the case 101 in which at least one single cell with at least one positive and at least one negative electrode is arranged. The individual cell is not shown for reasons of clarity. It is only important that the at least one negative electrode to the pin-shaped negative pole 102 is welded. The at least one positive electrode is electrically connected to the likewise pin-shaped positive pole 103 connected. The two poles 102 and 103 are from the outside through the housing 101 led into the cell interior, from the housing 101 but by means of insulating materials 104 and 105 isolated. The housing 101 is accordingly potential-free. To the poles 102 and 103 can be connected on the outside of the housing, an electrical consumer, at the poles 102 and 103 For the purposes of the present application, these are tapping poles.

In das Gehäuse 101 ist die elastische Membran 106 eingearbeitet. Diese kann sich nach außen wölben, wenn ein Gasdruck im Inneren des Gehäuses 101 auftritt. Dabei wirkt in Richtung des dargestellten Pfeils eine Kraft auf die Membran 106. Auf die Außenseite der Membran ist der elektrische Kontakt 107 aufgebracht. Dieser kann, wenn der Gasdruck im Inneren des Gehäuses 101 groß genug ist und sich die Membran 106 ausreichend weit nach außen wölbt, den elektrischen Kontakt 108 berühren. Dadurch kommt es zu einer elektrischen Verbindung zwischen den Abgriffspolen 102 und 103. Bei dem Ensemble aus den Kontakten 107 und 108 und der Membran 106 handelt es sich also um einen pneumatisch betätigbaren elektrischen Schalter. Die Batterie kann über den Widerstand 109 vollständig entladen werden, wenn der Schalter geschlossen ist. In the case 101 is the elastic membrane 106 incorporated. This can bulge outward if there is a gas pressure inside the case 101 occurs. In this case acts in the direction of the arrow shown a force on the membrane 106 , On the outside of the membrane is the electrical contact 107 applied. This can if the gas pressure inside the case 101 is big enough and the diaphragm 106 sufficiently far outward curves, the electrical contact 108 touch. This results in an electrical connection between the Abgriffspolen 102 and 103 , At the ensemble of contacts 107 and 108 and the membrane 106 So it is a pneumatically actuated electrical switch. The battery can be over the resistor 109 be completely discharged when the switch is closed.

Die in 2 dargestellte erfindungsgemäße Batterie gleicht der in 1 dargestellten Batterie nahezu in allen Punkten. So sind auch hier durch ein Gehäuse 201 zwei Pole 202 und 203 hindurchgeführt. Die Isoliermassen 204 und 205 trennen das Gehäuse 201 und die Pole 202 und 203 räumlich und elektrisch voneinander. In das Gehäuse eingearbeitet ist die Membran 206. Wölbt sich diese nach außen, so können die beiden elektrischen Kontakte 207 und 208 miteinander in Kontakt treten, so dass die beiden Pole 202 und 203 elektrisch miteinander verbunden werden. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem durch das Gehäuse 201 hindurchtretenden Pol 202 jedoch nicht um einen Abgriffspol, sondern im Sinne der vorliegenden Anmeldung um einen Kontaktpol. Als negativer Abgriffspol dient der Pol 211, der auf der Außenseite des Gehäuse 201 angeordnet ist und durch die Isolierschicht 212 räumlich und elektrisch von diesem getrennt ist. Der Abgriffspol 211 und der Kontaktpol 202 sind elektrisch miteinander verbunden, nämlich über die Schmelzsicherung 210. Bei dieser handelt es sich um eine niedrigohmige Sicherung, die elektrische Ladung zwischen dem Kontaktpol 202 und dem Abgriffspol 211 ohne großen Widerstand passieren lässt. Allerdings ist die Schmelzsicherung 210 thermisch und elektrisch an den Heizwiderstand 209 gekoppelt. Wird dieser aktiviert, nämlich durch Schließen des Schalters aus den elektrischen Kontakten 207 und 208 sowie der Membran 206, so schmilzt die Schmelzsicherung 210 und löst die elektrische Verbindung zwischen dem Abgriffspol und dem Kontaktpol. In the 2 illustrated battery of the invention resembles in 1 illustrated battery in almost all respects. So are here by a housing 201 two poles 202 and 203 passed. The insulating materials 204 and 205 disconnect the case 201 and the poles 202 and 203 spatially and electrically from each other. The membrane is incorporated in the housing 206 , If this bulges outwards, then the two electrical contacts 207 and 208 contact each other so that the two poles 202 and 203 electrically connected to each other. Unlike the in 1 illustrated embodiment is in the case of the housing 201 passing pole 202 but not a Abgriffspol, but in the sense of the present application for a contact pole. As negative tap pole serves the pole 211 on the outside of the case 201 is arranged and through the insulating layer 212 is spatially and electrically separated from this. The tap pole 211 and the contact pole 202 are electrically connected to each other, namely via the fuse 210 , This is a low-impedance fuse, the electrical charge between the contact pole 202 and the tap pole 211 without much resistance. However, the fuse is 210 thermally and electrically to the heating resistor 209 coupled. If this is activated, namely by closing the switch from the electrical contacts 207 and 208 as well as the membrane 206 , so the fuse melts 210 and solves the electrical connection between the Abgriffspol and the contact pole.

Die in 3 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 2 dargestellten im Grunde genommen nur darum, dass auf ein zum Heizwiderstand 209 analoges Element verzichtet wurde. Statt dessen kommt es hier über den elektrischen Leiter 309 und den Abgriffspol 311 zu einem Kurzschluss zwischen den Polen 302 und 303, wenn sich die beiden elektrischen Kontakte 307 und 308 berühren. Die Schmelzsicherung 310 ist so gewählt, dass sie dabei schmilzt und den Abgriffspol 311 vom Kontaktpol 302 trennt. Da die Schmelzsicherung 310 auf der Außenseite des Gehäuses 301 angeordnet ist, kann sie gegebenenfalls leicht ersetzt werden.In the 3 illustrated embodiment differs from the in 2 Basically, it's just a matter of heating resistance 209 analog element was omitted. Instead, it comes here on the electrical conductor 309 and the tap pole 311 to a short circuit between the poles 302 and 303 when the two electrical contacts 307 and 308 touch. The fuse 310 is chosen so that it melts and the tap pole 311 from the contact pole 302 separates. Because the fuse 310 on the outside of the case 301 may be easily replaced, if necessary.

Auch bei der in 4 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie 400 ist der negative Abgriffspol 411 auf der Außenseite des Gehäuses 401 angeordnet und über die Isolierschicht 412 von diesem isoliert. Der Abgriffspol 411 ist mit dem Kontaktpol 402 über die Schmelzsicherung 410 verbunden. Der Kontaktpol 402 ist durch die Wand des Gehäuses 401 hindurchgeführt. Die Schmelzsicherung 410 löst aus, sobald der Schalter aus der Membran 406 und den Kontakten 408 und 409 schließt.Also at the in 4 illustrated embodiment of a battery according to the invention 400 is the negative tap pole 411 on the outside of the case 401 arranged and over the insulating layer 412 isolated from this. The tap pole 411 is with the contact pole 402 over the fuse 410 connected. The contact pole 402 is through the wall of the housing 401 passed. The fuse 410 triggers as soon as the switch leaves the membrane 406 and the contacts 408 and 409 closes.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10104981 A1 [0006]
DE 102008020912 A1 [0006]
DE 102007020905 A1 [0006]
DE 10047206 A1 [0021, 0023]

Claims

A battery having a housing, at least one single cell having at least one positive and at least one negative electrode disposed in the housing, a positive tap terminal connected to the at least one positive electrode, and a negative tap terminal connected to the at least one negative electrode is connected, characterized in that it comprises at least one pneumatically actuated electrical switch, which changes its circuit state at a pressure increase within the housing beyond a threshold and thereby triggers a safety mechanism, which prevents a further pressure increase.

A battery according to claim 1, characterized in that the at least one switch comprises two electrical contacts, which are spatially separated from each other at a pressure below the threshold, and a membrane which defines the interior of the housing, after a pressure rise above the threshold beyond bulges outward while connecting the two electrical contacts.

Battery according to claim 1 or claim 2, characterized in that between the positive and the negative Abgriffspol a voltmeter and / or a load resistor is connected.

Battery according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one switch electrically connects the positive Abgriffspol with the negative Abgriffspol.

Battery according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the Abgriffspole disposed on the outside of the housing and connected via a separate contact pole with the at least one positive electrode or the at least one negative electrode, which is passed through the housing.

Battery according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one fuse which interrupts the contact between the at least one positive electrode and the positive Abgriffspol and / or between the at least one negative electrode and the negative Abgriffspol during melting, wherein the fuse is preferably arranged on the outside of the housing, in particular between a contact pole and an electrically connected to this Abgriffspol.

A battery according to claim 6, characterized in that it comprises at least one high-resistance heating resistor which is thermally coupled to the at least one fuse and which is activated via the switch when a pressure increase within the housing is above the threshold.

A method for safely operating a battery, which has at least one single cell with at least one positive and at least one negative electrode, and a housing in which the at least one individual cell is arranged, wherein a pressure increase within the housing is detected by means of a pneumatically actuable electrical switch, the when a threshold value is exceeded, it changes its circuit state and thereby triggers a safety mechanism which prevents a further increase in pressure.

A method according to claim 8, characterized in that the switch electrically connects the positive Abgriffspol with the negative Abgriffspol, in particular causes an electrical short circuit between the poles.